Alumínium és titán: Kiváló választás az űrrepülőgép-adalékanyag-gyártáshoz

Az élvonalbeli tudományos feltárás és fejlesztés perspektívája alapján a Science egyszer publikált egy cikket, amelyben rámutatott, hogy a modern ipar megköveteli, hogy a szerkezeti anyagok nagy szilárdsággal, törésállósággal és merevséggel rendelkezzenek, ugyanakkor amennyire csak lehetséges, csökkentsék a súlyt. Ebben az esetben az alumínium és a titán által képviselt könnyű, nagy szilárdságú ötvözetek, valamint a Ni-alapú szuperötvözetek által képviselt teherbíró hőálló ötvözetek váltak az egyik kulcsfontosságú anyaggá az új anyagok kutatási és fejlesztési tervei során a különböző területeken. országokban, és a lézeradalékok gyártása is folyamatban van. Fontos alkalmazott anyag.

A titán és az alumínium előnyei és különbségei

Az alumíniumötvözetet és a titánötvözetet kiváló alacsony sűrűségüknek és szerkezeti szilárdságuknak köszönhetően széles körben használják a repülőgépiparban, az autóiparban, a gépgyártásban és más területeken, akár 3D nyomtatást, akár CNC-feldolgozást használnak, különösen a repülési iparban. Ez a repülési ipar fő szerkezeti anyaga.

A titán és az alumínium is könnyű, de még mindig vannak különbségek a kettő között. Bár a titán körülbelül kétharmadával nehezebb, mint az alumínium, a benne rejlő szilárdság azt jelenti, hogy a szükséges szilárdság kevesebb felhasználással is elérhető. A titánötvözeteket széles körben használják repülőgép-sugárhajtóművekben és különféle típusú űrjárművekben, erősségük és alacsony sűrűségük csökkentheti az üzemanyagköltségeket. Az alumíniumötvözet sűrűsége csak egyharmada az acélénak, és jelenleg ez a legszélesebb körben használt és legelterjedtebb könnyű anyag az autók számára. Tanulmányok kimutatták, hogy az alumíniumötvözetek legfeljebb 540 kg-os járművekben használhatók. A 40 százalékos tömegcsökkenés mellett jó példa erre az Audi, a Toyota és más márkájú járművek teljesen alumínium karosszériája.

Az alumínium és a titán anyagtulajdonságai

Mivel mindkét anyag nagy szilárdságú és alacsony sűrűségű, más különbségeket is figyelembe kell venni, amikor eldöntjük, melyik ötvözetet használjuk.

Erő/Súly: Kritikus helyzetekben az alkatrész minden grammja számít, de ha nagyobb szilárdságú alkatrészre van szükség, akkor a titán a legjobb választás. Emiatt a titánötvözeteket többek között orvosi eszközök/implantátumok, összetett műholdszerelvények, rögzítések és sztentek gyártásához használják.

Költség: Az alumínium a legköltséghatékonyabb fém a megmunkáláshoz vagy a 3D nyomtatáshoz; A titán drága, de még mindig ugrásszerű értékkel bír. A repülőgépek vagy űrhajók könnyű alkatrészeinek üzemanyag-megtakarítása óriási lesz, míg a titán alkatrészek hosszabb élettartamúak lesznek.

Termikus tulajdonságok: Az alumíniumötvözetek magas hővezető képességgel rendelkeznek, és gyakran használják radiátorok készítésére; a magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz a titán magas olvadáspontja alkalmasabbá teszi, és a repülőgépmotorok nagyszámú titánötvözet alkatrészt tartalmaznak.

Korrozióállóság: Mind az alumínium, mind a titán kiváló korrózióállósággal rendelkezik.

A titán korrózióállósága és alacsony reakcióképessége miatt a leginkább biokompatibilis fém, és széles körben használják orvosi alkalmazásokban, például sebészeti eszközökben. A Ti64 jól ellenáll a sós környezetnek is, és gyakran használják tengeri alkalmazásokban.

Az alumíniumötvözetek és a titánötvözetek nagyon elterjedtek a repülőgépiparban. A titánötvözet nagy szilárdságú és alacsony sűrűségű (az acélnak csak körülbelül 57 százaléka), fajlagos szilárdsága (szilárdság/sűrűség) pedig sokkal nagyobb, mint más fémszerkezeti anyagoké. Nagy egységszilárdságú, jó merevségű és könnyű alkatrészeket tud előállítani. A titánötvözetek felhasználhatók repülőgép-hajtóművekben, vázakban, héjakban, rögzítőelemekben és futóművekben. A 3D nyomtatási technológia referenciaadatai azt mutatták, hogy az alumíniumötvözetek alkalmasak 200 °C alatti környezetben történő munkavégzésre. Az Airbus A380 karosszériájában használt alumínium anyag több mint 1/3-át teszi ki, és a C919 is nagyszámú hagyományos magas teljesítményű alumíniumötvözet anyagok. Alumíniumötvözetből készülhetnek repülőgéphéjak, válaszfalak, bordák stb.

Titán adalékanyagok gyártása és a repülőgépipar

Amint a Deloitte által közzétett 2019-es Globális Repülési és Védelmiipari Kitekintés rámutat, a repülőgépipar és a védelmi ipar tovább növekszik, a termelési igények is növekedni fognak. És az űrrepülési és védelmi alkalmazásokhoz való tervezés során az anyagválasztás kritikus jelentőségű. A földön kívüli alkatrészek esetében kulcsfontosságú az alkatrészek számának és súlyának csökkentése. Ezeken a területeken minden 1 gramm fogyás nagy előnyökkel járhat.

A titán rendkívül magas, 1600 fok feletti olvadásponttal rendelkezik, és jellemzően nehezen megmunkálható anyag is, ez a fő oka annak, hogy drágább más fémeknél. A Ti6Al4V jelenleg a legszélesebb körben használt titánötvözet anyag. Nemcsak könnyű súlyú, hanem nagy szilárdsággal és magas hőmérséklettel szembeni ellenállással is rendelkezik. Ezek a jellemzők nagyon népszerűvé teszik a repülőgépiparban. A gyakori alkalmazások közé tartozik a motorventilátorok és kompresszorok alacsony hőmérsékletű részéhez lapátok, tárcsák, burkolatok és egyéb alkatrészek gyártása, 400-500 fokos üzemi hőmérséklet-tartományban; repülőgépváz- és kapszula-alkatrészek, rakétahajtómű-házak és helikopterek Rotor-agyak, stb. gyártásához is használják. Magas hőmérséklet- és korrózióállósága ellenére azonban a titán gyenge elektromos vezetőképességgel rendelkezik, ezért rossz választás elektromos alkalmazásokhoz. A titán drágább más könnyűfémekhez, például az alumíniumhoz képest.

A titán felhasználása a repülőgépiparban

Az additív gyártástechnológia alkalmazása elősegíti a feldolgozási költségek és az alapanyag-pazarlás csökkentését, ami jelentős gazdasági előnyökkel jár. A titán alapú ötvözetek egyben a legszisztematikusabb és legérettebb ötvözetrendszerek az additív gyártási kutatásokhoz. Az additív gyártású titánötvözet alkatrészeket teherhordó szerkezetként használták a repülőgépiparban. A 3D nyomtatási technológiai referenciák felmérése szerint az egyesült államokbeli Aero Met Company titánötvözetből készült teherhordó szerkezeti próbadarabokat kezdett gyártani Boeing F/A-18E/F hordozó alapú kombinált vadászrepülőgépekhez/támadásokhoz. repülőgépeket kis tételekben 2001-ben, és 2002-ben vezető szerepet vállalt az LMD titánötvözet megvalósításában. Másodlagos teherhordó szerkezeti alkatrészek alkalmazása az F/A-18 ellenőrző gépen. A Pekingi Repülési és Űrhajózási Egyetem áttörést ért el a titánötvözetek lézeres adalékos gyártásának kulcsfontosságú technológiájában. Az ötvözetek átfogó mechanikai tulajdonságai jelentősen meghaladják a kovácsolt anyagokét. A kifejlesztett nagyméretű főcsapágyazású titánötvözet vázakat és egyéb alkatrészeket repülőgépekre szerelték és alkalmazták. A Northwestern Polytechnical University lézeres adalékgyártási technológiával készítette el a C919-es repülőgép középső szárnybordájának felső és alsó szélű szalagmintáját, amelyek mérete 3000 mm×350 mm×450 mm, tömege 196 kg.

Az alumínium alapú ötvözetek alacsony sűrűséggel, nagy fajszilárdsággal, erős korrózióállósággal, jó alakíthatósággal, jó fizikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek a legszélesebb körben használt színesfém szerkezeti anyagok az iparban. A lézeres adalékos gyártáshoz az alumínium alapú anyagok jellemzően nehezen megmunkálható anyagok, melyeket speciális fizikai tulajdonságaik határoznak meg (kis sűrűség, alacsony lézerabszorpció, nagy hővezető képesség, könnyű oxidáció stb.). Az adalékos gyártási formázási folyamat szempontjából az alumíniumötvözet sűrűsége viszonylag kicsi, a por folyékonysága viszonylag gyenge, az SLM formázó porágyon rossz a fektetés egyenletessége vagy a por szállításának folyamatossága az LMD-ben. a folyamat gyenge. Ezért a lézeres adalékanyag-gyártó berendezésekben a porszóró/poradagoló rendszer pontossága és pontossága viszonylag magas.

Jelenleg az additív gyártásban használt alumíniumötvözetek főként Al-Si ötvözetek, amelyek közül az AlSi10Mg és a jó folyékonyságú AlSi12 széles körben tanulmányozták. Az Al-Si ötvözetből készült öntött alumíniumötvözet anyagi természete miatt azonban, bár optimalizált lézeradalékos gyártási eljárással készült, a szakítószilárdsága nehezen haladja meg a 400 MPa-t, ami korlátozza a repülési és egyéb területeken nyújtott szolgáltatási teljesítményét. Nagy teherbírású elemeken használható.

A repülőgépekben használt alumíniumötvözet mennyisége eléri a 20 százalékot

A magasabb mechanikai tulajdonságok további elérése érdekében az elmúlt években számos hazai és külföldi vállalat és egyetem felgyorsította a kutatás-fejlesztés ütemét, és számos nagy szilárdságú alumíniumötvözet került a listára, amelyeket az additív gyártásra szántak. Az Airbus kifejlesztette a Scalmalloyt, a világ első nagy szilárdságú alumíniumötvözet poranyagát additív gyártáshoz, amelynek szakítószilárdsága szobahőmérsékleten 520 MPa, és amelyet az A320-as repülőgép utastér szerkezeti alkatrészeinek additív gyártásához alkalmaztak. Az egyesült államokbeli Hughes Research Laboratory (HRL) által kifejlesztett, 3D nyomtatáshoz használt, nagy szilárdságú 7A77.60L alumíniumötvözet szilárdsága meghaladja a 600 MPa-t, így ez az első kovácsolt, egyenértékű, nagy szilárdságú alumíniumötvözet, amely additív gyártáshoz használható. A NASA Marshall Űrrepülési Központja megkezdte ezt az anyagot nagyszabású repülőgép-alkatrészek gyártásához használják; A 3D nyomtatási technológiai referens egy új típusú, nagy szilárdságú alumíniumötvözetről is beszámolt, amelyet a hazai CRRC Ipari Kutatóintézet tervezett és fejlesztett ki 3D nyomtatásra, amely áttöri az Airbus szabadalmi korlátozásait. A stabilitás meghaladja az 560 MPa-t, ami lényegesen jobb, mint az Airbus Scalmalloy® alumíniumötvözet por nyomtatási teljesítménye, amely képes kielégíteni a csúcskategóriás gyártási alkatrészek, például a belföldi vasúti tranzitberendezések és az űrhajózás 3D nyomtatásának igényeit. anyaggyártási alkalmazások.

A modern repülőgép-alkatrészeknek meg kell felelniük egy sor olyan szigorú követelménynek, mint a könnyű súly, a nagy teljesítmény, a nagy megbízhatóság és az alacsony költség, az alkatrészek szerkezete pedig bonyolultabb, és nehezebb megtervezni és gyártani. Az alumínium-, titán- és nikkelalapú alkatrészek lézeres adalékanyag-gyártásának kulcsfontosságú technológiáinak innovációja és fejlesztése az űrhajózásban nemcsak a könnyű súly és a nagy teljesítményű anyagkiválasztás fejlesztési irányát tükrözi, hanem magának az adalékanyag-gyártási technológiának a pontosságát is kiemeli. , A hálóforma fejlesztési irányzata megvalósíthatja az anyag-szerkezet-teljesítmény integrált additív gyártást és az additív gyártástechnológia fő mérnöki alkalmazását a repülőgépiparban.